电力隧道视频及环境监控系统的网络结构方案之比较

刘 颖 贺绍鹏 郭小凯

（1.广东电网公司珠海供电局，广东 珠海519000；2.国网物资有限公司，北京100120）

0 引言

电力隧道中经常会出现水位过高，CO、CH4、H2S等有害气体过高和氧气过低的情况，危及电缆的安全运行和检测人员的生命安全。在这种情况下，如果能够有效地排风和通风，将会减少工作人员生命安全危险和火灾危险。隧道防盗也很重要，经常有人从出入口强行进入隧道偷电力设备和接地线，这对电缆安全运行造成了很大影响，如果能在隧道出入口安装防盗和监控设备，则能有效地防止其他人员进入。由于隧道中信号较弱，因而要进行通信联络就很麻烦，为此安装网络通信电话成为一种很好的选择。

为适应珠海横琴岛电力电缆隧道建设的需要，提高电缆隧道运行和维护的安全性及可靠性，实现电网的可视化监控和调度以及隧道内分区之间、隧道内外的通信联络，加强电力隧道视频及环境监控系统技术管理，需要对电力电缆隧道进行视频及环境监控。由于电力隧道监控具有监控点多、信息量大的特点，如何设计视频及环境监控系统的网络结构就显得非常关键，为此本文分析了当前最为流行的2种网络结构，并进行对比分析，最后得出了最佳网络结构方案。

1 设计方案

珠海横琴多联供电厂至琴韵变电站电缆隧道全长16.2 km，在220kV环澳变电站工程中解口进220kV环澳站。线路解口点距离多联供电厂约8.5 km，距离琴韵变电站约7.7 km，距离环澳变电站约2.95 km（环澳段2.95 km电缆隧道不属于本工程范围）。

本工程电缆隧道共设80个防火分区（约200 m一个防火分区），28个隧道出入口，主要监控内容如下：

（1）监视电力电缆隧道各主要出入口情况；

（2）监视电力电缆隧道与变电站连接处的隧道内及出入口情况；

（3）监测电力电缆隧道监控室内温度、湿度等情况；

（4）监测电力电缆隧道内温度、湿度、空气含氧量、有害气体浓度及水浸情况；

（5）实现电缆隧道井盖防盗监控和各出入口门禁监控等。

因此，要对整个隧道的视频及环境信息进行监控，监控点多，信息量大。现在常用的网络结构有EPON组网和光交换机组网方式，下面介绍这2种组网方式的优劣。

1.1 方案1：EPON组网

1.1.1 EPON组网简介

EPON（Ethernet Passive Optical Network），即以太网无源光网络，产品展示如图1所示。IEEE802.3定义了以太网的2种基本操作模式：第一种模式采用载波侦听多址访问／冲突检测（CSMA／CD）协议应用在共享媒质上；第二种模式为各个站点采用全双工的点到点的链路通过交换机连接到一起。相应地，以太网MAC可以工作于这2种模式之一：CSMA／CD模式或全双工模式。

图1 EPON产品展示

EPON网络的性质是共享媒质和点到点网络的结合。在下行方向，拥有共享媒质的链接性，而在上行方向其行为特性就如同点到点网络。

下行方向：OLT发出的以太网数据包经过一个1：n的无源光分路器传送到每一个ONU。n的典型取值在4～64之间（由可用的光功率预算所限制）。这种行为特征与共享媒质网络相同。在下行方向，以太网具有广播特性，与EPON结构相匹配：OLT广播数据包，目的ONU有选择地提取数据包。

上行方向：由于无源光合路器的方向特性，任何一个ONU发出的数据包只能到达OLT，而不能到达其他的ONU。EPON在上行方向上的行为特点与点到点网络相同，但却不同于真正的点到点网络，在EPON中，所有的ONU都属于同一个冲突域——来自不同的ONU的数据包如果同时传输依然可能产生冲突。因此在上行方向，EPON需要采用某种仲裁机制来避免数据冲突。

局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等无源光器件，无需租用机房、配备电源及有源设备维护人员，因此可有效节省建设和运营维护成本；EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网／驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素；采用单纤波分复用技术（下行1 490 nm，上行1 310 nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离就可达20 km。在ONU侧通过光分路器最多分送给32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足了接入网客户的带宽需求，并可方便灵活地根据用户需求的变化动态分配带宽；点对多点的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，有力控制了运营商的投资规模。

1.1.2 具体项目分析

隧道内每200 m设置了一个防火分区，每个防火分区的通风室内安装一台光网络单元ONU，作为一个网络节点，每10个网络节点形成一个光纤环网，整个电缆隧道共设置8个光纤环网。再由每个光纤环网两端引光缆至站端OLT光线路终端设备，形成了8个独立的光路环网，结构简单，维护方便。

1.2 方案2：用光交换机组自愈环网

1.2.1 用光交换机组自愈环网简介

自愈环以太网交换机采用世界最新光纤技术，结合目前应用最广的以太网技术，是一款集光通信、以太网于一体的综合通信单元，专门为电力配网自动化、工业自动化、SCADA（数据采集及监控）等工业行业数据通信领域而设计。自愈环以太网交换机可以将多个站点的以太网信号、232／485信号、视频信号、语音信号等复合到环形光纤链路中传输。自愈环以太网交换机支持对光纤环路的自动检测和倒换，全负载下故障恢复时间＜20 ms。

双环自愈以太网光端机（图2）支持4个环路光口和1～2个支路光口，可组建链形、环形、T形等各种复杂的光纤网络。当配置为4个环路光口时可组成相切环。设备使用工业级元件生产，支持电源冗余，符合工业级设计要求。

图2 双环自愈以太网光端机

功能特性：

（1）环路光口兼容IEEE802.3标准；

（2）具有广播风暴抑制功能，自动对数据包进行过滤和MAC地址记忆，MAC地址表8K环路、支路光接口均兼容IEEE802.3U－100M－FX；

（3）支持2～4个光口环路同时传输，每站最高带宽400 Mbps；

（4）支持光纤环路的检测和自愈合，光口冗余故障倒换时间不大于20 ms；

（5）光口可组建链形、环形、T形、复合形等各种光纤网络。

1.2.2 具体项目分析

隧道内每200 m设置了一个防火分区，每个防火分区的通风室内安装一台级联网络交换机作为一个网络节点，前25个网络节点形成第一个光纤环网A，中间10个网络节点形成第二个光纤环网B，后45个网络节点形成第三个光纤环网C，每个光纤环网再分别引光缆至站端以太网交换机。整个电缆隧道共设置3个光纤环网。

2 2种设计方案对比分析

EPON组网的优点：

（1）网络拓扑灵活，通过分路器实现链、树、环型的拓扑；

（2）采用无源分路器，维护方便；

（3）单个设备节点的失效对网络无影响；

（4）网络层级简单，网络性能和传输延时更有保障；

（5）成本低于工业以太网。

缺点：

（1）光分路器插入损耗1 dBm，导致网络不能太大；通道衰耗（含节点光功率衰耗、光缆损耗、光分路器插入损耗、法兰盘损耗）容限考虑为28 dBm，理论计算最多可接入13个节点；

（2）EPON的功耗大，尤其是发光器件功耗大，不利于长期在高温环境中工作；

（3）ONU之间不能实现通信，只能是OLT对ONU之间实现点对多点的通信；

（4）EPON网络设备为国内厂家生产，质量难以保证；

（5）后期扩展不便；

（6）与南网及广东电网视频及环境监测系统的标准不一致。

交换机组网的优点：

（1）以太网技术具有扩展性好、价格较便宜、接入速率高、成熟简单等优势；

（2）每个节点放置一台交换机，配置简单，仅需要配置相应的级联光口即可组成自愈环网；

（3）环网站点个数理论上无限制，但考虑业务正常传送时的延时和保护倒换时间，建议采用多环少节点方式，且每个环少于50个节点；

（4）网络安全性高，如果环网连接中断，可自动启动环网保护，正常时可以对每个节点交换机状态进行监测；

（5）网络扩充性强，当接入新节点时，网络可自动发现并生成树，整个过程对现有业务无影响；

（6）传输距离长，如采用多级光再生放大，理论上可无限扩展；

（7）采用光交换机组网方式和南网的视频及环境标准结构一致。

缺点：

（1）光交换机组网只支持点到点的信息传递，因此组网有局限性；

（2）每台级联交换机均需要电源；

（3）投入成本较高。

通过对这2种组网方式进行对比，笔者建议采用光交换机组自愈环网方式，因此应选方案2。

3 结语

随着人们生活水平的提高，对用电质量的要求也越来越高，安全输电成为一个非常重要的问题。在城市电网中，架空输电线路存在着越来越多的问题，对居民的生活和城市交通造成了很大影响，因而通过电力隧道进行高压电缆输电成为一种更好的选择。为了电力隧道电缆的安全运行和维护人员的安全，需要对电力电缆隧道进行视频及环境监控。本文分析了当前最为流行的2种网络结构并进行对比，最后得出了最佳网络结构方案：采用光交换机组成自愈环网。